地球周围包围着很厚的一层空气，叫大气圈，其厚度为2000～3000千米，没有明显的上界，通常可分为三层：对流层、平流层（同温层）、高层大气（图1）。对流层是大气圈中最靠近地表而且密度最大的一层，空气总量的95%都集中在这一层内，并由于太阳辐射和大气环流的影响形成各种气象现象。人类就生活在这一层的底部，因此这一层与人类生命活动关系最密切。空气是人类赖以生存的重要环境因素之一，机体与外界环境不断地进行着气体交换、热能交换等，以保持机体的正常生理活动。因此，大气的组成成分，物理、化学、生物学特性与人类的健康和疾病密切相关。

图1 大气的垂直分层

自然状态的大气是一种无色、无臭、无味的混合气体，其化学组成是比较稳定的。在标准状况下（气温0℃，纬度45°，海平面的大气压为760毫米汞柱），干燥大气按容积百分比计算：氮占78.09%，氧占20.95%，氩占0.93%，二氧化碳占0.027%，四种成分占空气总容量的99.99%，其余是微量的氖、氦、氪、氢、氙等稀有气体。另外空气中还含有一定量的水蒸气以及尘埃、微生物等各种夹杂物。

大气是人体获得氧气的唯一天然来源。成年人每日平均呼吸10～21立方米空气，在约100平方米的肺泡面积上进行气体交换，从空气中吸入生命活动所必需的氧，向大气排出代谢过程中所产生的二氧化碳等废气。大气的正常组成是保证人体生理功能和健康的必要条件。由于自然界的物质循环，空气中的各种基本组成成分始终保持相对恒定，不会发生严重缺氧或氧过多而影响健康的情况。另外，机体对空气中氧含量的变化，有较大的适应能力。在海拔高的地区、高山上、高空中，由于空气稀薄，氧的绝对量降低，大多数人可以逐渐适应。但氧含量降低到一定限度以下即可引起缺氧的症状，如恶心、呕吐、头晕、头痛、脑力活动减弱等。最重时可直接危害机体的健康和生命。氧含量降低至7%～8%，对一般人来说是一个危险的界限，可引起窒息、体温下降、神志障碍、循环障碍等现象，甚至死亡。在下水道内、很深的矿井中或矿坑爆炸后，以及非常密闭的室内（潜水艇内等）都可能有空气中氧含量减少的情况。空气中氧含量过多的现象只有在特殊情况下存在，如使用氧气筒供氧时，其中氧含量可达40%～60%，对机体无损害。但若在高压下吸入纯氧则可能引起氧中毒。

大气中二氧化碳的含量不多，二氧化碳对红外线的吸收性较强，大气下层的长波太阳辐射和地表的长波辐射绝大部分被大气中的二氧化碳和水蒸气吸收，因此接近地面处气温升高，可形成温室效应。人类进入工业化以来，由于化石燃料的燃烧，大气中二氧化碳含量逐渐增高。1880～1975年，大气中二氧化碳含量增加10%以上，1990年大气中二氧化碳已达0.033%，对气候变化有较大影响。

大气的物理性状包括太阳辐射、气温、气流、气湿、气压等气象因素以及空气离子化等。人体与外界环境之间不断进行热交换，在热交换中，气象因素起很大的作用，气温、气湿、气流综合作用于人体，其中气温起主导作用，引起机体的冷热感觉和体温调节，以保持体温的相对恒定。人体对环境气象条件的适应能力是有一定限度的，当环境温度接近和高于体温时，机体散热困难。气湿大、气流小的环境条件，更不利于机体散热。特别是有热辐射源作用于机体时，人体易发生热蓄积。当环境温度低于体温时，温度越低人体散热越快，气湿、气流大和负辐射作用下，机体散热更快。气象因素的变动超出一定范围（如酷寒和阴湿、炎热及强烈的太阳辐射等）可使机体出现热平衡失调，引起多种疾病，如日射病和热痉挛、感冒、关节炎、神经炎、神经痛、肌肉痛、冻伤等。

空气离子化是空气的分子发生电荷的变化。大气中的气体（如氧、氮等）分子一般呈中性。在外界因素（如太空中各种射线、放射性物质或闪电等）作用下，气体分子发生电离，产生正、负离子。正负离子与中性分子结合形成正、负轻离子。正、负轻离子再与空气中的尘、雾、水蒸气相结合形成正、负重离子。空气离子化程度，一般用1立方厘米空气中离子的总数来表示，也可用正离子与负离子的比值来表示。在疗养地、农村和高山，空气清洁，绿化面积大，轻离子浓度较高，为2500～40000个/立方厘米，在山溪、瀑布处常发生喷筒电效应，轻离子增多，特别是负离子多，正、负离子比值最低可达0.07。城市大气中正、负重离子较多。一般认为，在一定浓度下，负离子对机体起到镇静、催眠、镇痛、镇咳、止痒、止汗、利尿、降低血压、增进食欲、改善注意力、增强工作能力等良好作用。正离子则相反起着不良影响。为此可利用负离子进行治疗、康复疗养；也可用空气离子化程度评价空气污染的程度和选择疗养地。

平流层位于对流层之上，其上界高达80～90千米。此层空气稀薄。于其间40～50千米处，有一层臭氧层。臭氧层能吸收99%以上的短波紫外线，可保护地球上的生物不受这些杀伤力极强的射线的损害。但近年来科学家们发现臭氧层已遭到破坏。

大气污染是指由于人类的生活、生产活动或自然灾害而致一种或多种有害因子进入大气，并达到能直接或间接影响人体身心健康，甚至造成远期危害的现象。大气污染物以化学性污染物的种类最多，污染最普遍、广泛。

大气化学性污染物来源主要有四个方面：①工业企业。尤以火力发电、焦化、冶炼、石油化工等行业的污染最为严重。污染物主要来自两个系统：一是生产的动力系统，燃料燃烧产生大量的燃烧产物，污染大气。主要有颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、多环芳烃等。此外，根据燃料的不同，还可排出氟、砷、镉等无机毒物。二是生产过程中排出的废气或是泄漏出的原料、中间产物或产品。例如硫酸厂排出二氧化硫，化工厂排出氯气，温度计厂排出汞蒸气等。1930年12月比利时河谷烟雾事件，1948年10月美国多诺拉烟雾事件，都是工业废气造成的急性中毒事件。②交通运输。主要来自汽车、火车、轮船、飞机、卡车等排出的尾气，主要含有氮氧化物、一氧化碳、醛类、二氧化硫、颗粒物、铅等。其中氮氧化物、醛类能在紫外线的光化学作用下，形成光化学烟雾，造成更严重的危害。洛杉矶市的汽车数量居于世界前列，曾于1942、1954和1955年的8月底至9月初烈日当空时，发生过光化学烟雾事件。③生活炉灶和采暖锅炉。是来自居住区的污染。污染物亦以燃料的燃烧产物为主。虽然每个炉子的规模很小，但由于炉子数量极多，故污染可以很严重。1952年12月4日伦敦烟雾事件（图2），死亡人数超过4000人，主要原因之一即是由于冬季壁炉采暖排放出大量有害废气。④意外灾害。如火山爆发、森林火灾或油井着火等，能产生大量二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氮氧化物、颗粒物、多环芳烃等有害物质。1986年8月21日晚，喀麦隆的尼奥斯火山湖突然从湖底喷出大量二氧化碳和硫化氢，造成周围1746名居民和大量牲畜死亡。

图2 伦敦烟雾事件时一名交警指挥车辆

大气中的常见化学污染物主要包括颗粒物、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_X）、一氧化碳（CO）、多环芳烃和放射性物质。

是颗粒状污染物的总称。粒径小于100微米的颗粒物称为总悬浮颗粒物（TSP）。其中粒径小于10微米者称为可吸入颗粒物（PM10），能进入呼吸道。2.5～10微米的易滞留在上呼吸道，小于2.5微米的细颗粒物（PM2.5）能进入呼吸道深部和肺泡，继而通过气血交换进入血液循环，产生较大危害。颗粒物的化学成分依其产生来源不同而异。常见种类有二氧化硅、碳粒、各种金属微粒、石棉纤维、烃类颗粒等，还可以吸附上二氧化硫、氮氧化物、氟、汞蒸汽、病原体等其他有害物。颗粒物的毒性也因其成分不同而异。现有的研究证据表明，颗粒物的短期和长期暴露均可能导致多种不良的健康影响，如呼吸系统和心血管系统的症状和疾病发生，癌症发病率升高等。

主要来自含硫燃料和含硫工艺生产过程。易溶于水，故易被上呼吸道黏液吸附，引起刺激、炎症，甚至过敏反应。反复吸入可逐渐引起慢性阻塞性肺病（COPD），使肺功能明显降低，继而导致肺心病和呼吸衰竭。二氧化硫与空气中的水蒸气结合并氧化生成二次污染物──硫酸雾，对呼吸道的刺激更大，其毒性比二氧化硫高出10倍。

各种燃料的高温燃烧可能产生氮氧化物。此外，含氮生产工业也可排出氮氧化物。汽车尾气是氮氧化物的一个极重要的污染来源。氮氧化物溶于水的能力不如二氧化硫，故易进入呼吸道深部，破坏肺泡的表面活性物质，使呼吸道阻力增加、抵抗力下降，重者也能发展成COPD。高浓度氮氧化物被吸入，可进入血液，与血红蛋白结合形成变性血红蛋白，造成缺氧窒息，重者有生命危险。氮氧化物在紫外线光化学作用下，与醛类等物质反应能生成二次污染物──光化学烟雾，呈蓝色，刺激眼、呼吸道，引起流泪、眼红肿、头痛、气喘、呼吸困难、胸痛、肺水肿等，重者导致窒息死亡。

主要来自燃料的不完全燃烧。一氧化碳吸入体内能迅速与血红蛋白结合成碳氧血红蛋白（COHb），影响氧气与血红蛋白的结合，造成机体缺氧，引起心血管疾患和脑血管疾患。正常人体内含COHb约为0.4%。大气中一氧化碳为10毫克/立方米时，体内的碳氧血红蛋白达21%，机体产生轻度生理变化；COHb达70%时，可导致死亡。

也是燃烧不完全产物，易吸附在颗粒物上。其中有几种化合物是致癌源，例如3，4-苯并（a）芘。有些多环芳烃在机体内经活化酶作用后，其中间代谢产物就是强致癌物。有些大气颗粒物中也含有致突变性很强的硝基多环芳烃。

主要来自放射性矿藏的开采、冶炼加工，核工业生产，放射性废弃物的无组织排放和核武器试验等。主要污染物为⁹⁰锶、¹³¹碘、¹³⁷铯等。这些放射性物质可以在大气中直接照射人体而产生外照射效应，也可通过吸入而产生内照射效应。慢性危害主要表现为头痛、头晕、食欲下降、睡眠不良，继而出现白细胞降低、血小板减少，远期效应为出现各种癌症（包括白血病）、不育、死产、畸胎，以及遗传性疾病等。在核爆炸地区可能引起急性放射病。非战争时期应警惕事故性灾难的发生。1984年4月25日晚，苏联切尔诺贝利核电站发生爆炸，当时造成大量的人员伤亡。大气受¹³¹碘和¹³⁷铯的严重污染。三年后发现距事故发生处80公里地区的癌症患者、儿童甲状腺疾病患者以及畸形家畜均增多。2011年3月11日，日本“东日本大地震”引发海啸，导致东京电力公司福岛第一核电站核泄漏事件。

大气中微生物种类很多，但主要是对人无害的抵抗力较强的腐物寄生物，如球菌、芽孢杆菌、霉菌等。一般抵抗力较弱的病原微生物被空气稀释、在日光照射和干燥条件下很容易死亡。呼吸道传染病病人的周围空气中，经常可以找到结核杆菌、白喉杆菌、流感病毒等病原微生物。这些病原微生物可附着在颗粒物上散布在空气中，传播疾病，特别是在空气流通不畅的室内和人群聚集场所。